fibre ottiche plastichetesi.cab.unipd.it/22546/1/fibre_ottiche_plastiche.pdfcapitolo 2. fibre...

FIBRE OTTICHE PLASTICHE

STUDENTE: DOUNGUE TSUNEKO FRANCIS

2009/2010

Indice

1 Introduzione 3

2 Fibre ottiche 52.1 Cenni storici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Principi di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Guida d'onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 Struttura ,parametri e propagazione nelle �bre ottiche di vetro . 8

2.4.1 Struttura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.2 Parametri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.3 Propagazione nelle �bre di vetro . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Attenuazione e dispersione nelle �bre di vetro . . . . . . . . . . . 122.5.1 Attenuazione nelle �bre di vetro . . . . . . . . . . . . . . 132.5.2 Dispersione nelle �bre di vetro . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Fibre ottiche plastiche (POF) 213.1 Evoluzione operato sulle �bre plastiche . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.1 POF E Polimetilmetacrilato (PMMA) . . . . . . . . . . . 223.1.2 GI-POF E Per�uoro-butenylvinylether (PFBVE) . . . . . 23

3.2 Fabbricazione della �bra GI-POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3 Caratteristiche delle POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.1 Attenuazione nelle POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3.2 Dispersione nelle POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.3 Accoppiamento modale e conversione modale . . . . . . . 303.3.4 Resistenza meccanica delle POF . . . . . . . . . . . . . . 313.3.5 Resistenza termica delle POF . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3.6 La �bra Lucina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Giunzioni e connettori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4.1 Giunzioni nelle �bre ottiche . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4.2 Connettori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4.3 Installazione della POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Diverse applicazioni delle POF e progetti 414.1 Applicazioni nell'automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 Applicazioni nelle telecomunicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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INDICE 2

4.3 Applicazioni nei sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.4 Altre applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.5 Progetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.5.1 POF-ALL EU project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.5.2 POF-PLUS project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5 Conclusioni 48

Capitolo 1

Introduzione

Nell'ultimo secolo si è veri�cata un'importante espansione della scienza del-l'ottica migliorando così la qualità della vita e contribuendo ad una maggioreconnettività. Il settore della �bra ottica, la quale era sottovalutata oppure menoadeguata rispetto alle tecnologie sviluppate dai ricercatori prima dagli anni ot-tanta dello scorso secolo, grazie ad una richiesta enorme e via via crescentedella banda di trasmissione nel settore delle telecomunicazioni, dovuta in granparte allo sviluppo di internet ed a una fornitura facilitata al suo accesso nelleabitazioni, la �bra ottica si è aggiudicata un ruolo fondamentale, ed ha spintola ricerca ad un processo continuo di miglioramento delle sue caratteristiche.Oggi si pensa ad una sostituzione completa dei rami e dei cavi coaxiali nei col-legamenti di tipo internet, ethernet ed altri. Per i collegamenti terrestri a lungadistanza (inter-regionali ed intercontinentali) si usano già al giorno d'oggi dorsalidi comunicazioni a �bre ottiche.

La tecnologia con �bra ottica fa uso di luce per il trasporto di segnali digitalitramite cavi ottici. I cavi in �bra ottica sono fatti di �li di vetro molto sottili edestremamente puro, realizzato solitamente in silicio (diossido di silicio, SiO2) ein grado di agire come guida d'onda per il segnale ottico. Questa tecnologia sibasa sul concetto di ri�essione della luce. Con perdite estremamente limitate,vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni su grandi distanze enella fornitura di accessi di rete a larga banda (dai 10 Mbit/s al Tbit/s). Lari�essione interna totale è il principio alla base del successo di questa tecnologia.

Il principale svantaggio delle �bre ottiche realizzate in silicio è la loro fragilità.A causa del diametro estremamente ridotto, il costo e la di�coltà d'installazionesono elevate, le sue caratteristiche meccaniche non favoriscono il suo utilizzonelle abitazioni e nelle u�ci limitandola a collegamenti esterni tipo �step-door�.

Per i motivi citati sopra si è sviluppata una nuova tecnologia ottica basa-ta sulle �bre a nucleo plastico con diametro ben più largo di quello della �bradi vetro, facilitando cosi l'installazione di tali sistemi e riducendo il costo delmateriale. Queste caratteristiche le conferiscono un vantaggio evidente nelleapplicazioni �home-networks�. Visto che in questi ultimi anni l'utilizzo della�bra nelle applicazioni �home-networks� è notevolmente cresciuto e rappresenta

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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 4

un mercato più ampio e più diversi�cato, è chiaro che la soluzione più promet-tente economicamente per le comunicazioni è quella ad alta velocità e a brevedistanza.

Nel capitolo 2 si trova un'introduzione sui sistemi in �bra ottica di vetro, sp-iegandone il funzionamento e introducendo i parametri necessari per valutarnele caratteristiche, in�ne di avere un'idea su cosa è una �bra ottica; nel capitolo3 ci si focalizzerà sui sistemi in �bra ottica plastica, analizzandone le caratter-istiche in confronto alle �bre di vetro e presentandone le applicazioni attuali e iprogetti di ricerca futuri.

Capitolo 2

Fibre ottiche

In questo capitolo verranno descritte la storia e l'evoluzione delle �bre ottichedalle origini �no ai giorni nostri, passando in rassegna modalità di funzionamen-to, tipologie, caratteristiche applicate a �bre di vetro.

2.1 Cenni storici

L'utilizzazione della luce come mezzo di comunicazione a distanza è un'idea cherisale a circa 200 anni fa, ma che ha trovato di�coltà di sviluppo a causa delfatto che trasmettitore e ricevitore devono trovarsi in posizione ben visibile traloro e da ciò conseguono inevitabili limitazioni. Per molto tempo i ricercatorihanno tentato di ovviare all'inconveniente cercando di trasmettere la luce anchelungo percorsi curvilinei. Partendo dal principio della ri�essione totale interna,osservata da uno scienziato svizzero, Daniel Colladon, all'inizio del 1800, la fat-tibilità pratica, per ri�essioni successive, della trasmissione in percorsi che nonseguano necessariamente una traiettoria rettilinea, venne provata da un membrodella Royal Society, John Tyndall, nel 1870. Utilizzando un recipiente colmod'acqua ed illuminando l'estremità in alto, egli si accorse che la luce si propa-gava lungo di esso sino ad uscire da un apposito ori�zio praticato su una paretee l'acqua, zampillando, illuminava il recipiente sottostante. L'applicazione diquesto fenomeno su delle piccole �bre e la possibilità di usare la �bra ottica invetro come guida d'onda per un segnale ottico vennero suggerite in alcuni arti-coli scienti�ci nei primi del 1900, ma solo negli anni venti si riuscì a dimostraretali teorie. Infatti nel 1927 l'inglese J.L.Baird brevettò un dispositivo compostoda una serie di bacchette di vetro capace di trasmettere delle immagini a brevedistanza. Purtroppo i materiali e le tecnologie, allo stato delle conoscenze del-l'epoca, non permettevano ancora di raggiungere risultati pratici apprezzabilinella trasmissione a lunghe distanze della luce, come poteva già avvenire per lecomunicazioni via radio o via cavo. Determinanti nello studio delle �bre ottichefurono senza dubbio le nuove tecniche di puri�cazione e di �latura del vetroche permisero, nel 1953 a Kapany, un ricercatore inglese di origine indiana, di

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CAPITOLO 2. FIBRE OTTICHE 6

mettere a punto �bre di vetro con guaina (cladding) ed introdurre, per la primavolta nella storia, il termine oggi usuale di �bra ottica. La rivoluzionaria idea diutilizzare la �bra nelle comunicazioni è avvenuta per merito dei ricercatori in-glesi della Standard Telecomunication Laboratories, i quali, nel 1967, riuscironoad identi�care la causa principale delle elevate attenuazioni, che consistevanonella mancanza di purezza del materiale utilizzato, e che allora ne limitavanol'utilizzo. All'inizio degli anni Settanta fu la Corning Glass. una ditta ameri-cana, la prima a realizzare dei vetri ad altissima trasparenza con attenuazioniabbastanza basse da permettere spezzoni di �bra di alcuni chilometri.

2.2 Principi di funzionamento

La caratteristica principale della �bra ottica consiste nel con�nare la luce alproprio interno e di guidarne la propagazione tramite un principio che è dettodella ri�essione totale. In un mezzo isotropo, la luce si propaga in linea retta.In questa sede, si vuole focalizzare ciò che accade quando la luce attraversa lasuper�cie di separazione fra due materiali diversi. E' infatti noto che un raggiodi luce, dopo un percorso di n metri, incontrando una super�cie che separa duemezzi trasparenti, in parte proseguirà il percorso propagandosi nel nuovo mezzo,ed in parte si ri�etterà (�gura 2.1). L'entità della deviazione angolare subitadal raggio rifratto dipende dal cosiddetto indice di rifrazione;

Figura 2.1: fenomeni di rifrazione e ri�essioni di un raggio di luce che incontrala super�cie di separazione fra due mezzi

analizzando la �gura, considerata la normale al piano di separazione, l'angolodi incidenza viene de�nito con α, l'angolo di ri�essione con δ, mentre quello dirifrazione con β. Sappiamo dalle leggi dell'ottica geometrica che l'angolo diincidenza α è uguale a quello di ri�essione δ, mentre il raggio rifratto si propaganel mezzo 2 con un angolo β che è legato ad α da una relazione che vienecomunemente de�nita Legge di Snell:


n1 · sinα = n2 · sinβ (2.1)

dove con n1 ed n2 si indicano gli indici di rifrazione dei due diversi mezzi;il raggio incidente, quello ri�esso e quello rifratto sono contenuti nello stessopiano. Dalla formula sopra indicata emerge che se n1 > n2 risulterà che β >α, cioè attraversando l'interfaccia da un mezzo più denso ad uno meno den-so il raggio tende ad allontanarsi dalla normale adagiandosi sulla super�cie diseparazione. In questo caso, all'aumentare dell'angolo di incidenza, l'angolo dirifrazione aumenta; quando poi l'angolo incidente supera un certo valore soglia,che verrà chiamato angolo limite, il raggio non può più uscire dal mezzo in cuiè stato convogliato. In tali condizioni si manifesta il fenomeno della ri�essionetotale, che si presenta ogniqualvolta il raggio rifratto scompare del tutto e quelloincidente viene rinviato all'interno del mezzo con un angolo uguale ed oppostoa quello di incidenza. L'angolo limite, de�nito con αL, non è niente altro chel'angolo di incidenza che rende β=90°; se l'angolo di incidenza supera questovalore, scompare del tutto il fenomeno della rifrazione e si ha ri�essione totale.L'angolo limite può essere ricavato facendo ricorso alla Legge di Snell, ponendosinβ =1:

αL = arcsin (n2/n1) (2.2)

2.3 Guida d'onda

Una guida ottica è un mezzo trasmissivo il cui e�etto principale risulta es-sere quello di guidare la propagazione di un'onda elettromagnetica nella regionecompresa tra le super�ci che lo delimitano. Un'onda si de�nisce guidata quan-do la sua propagazione avviene prevalentemente lungo la stessa direzione delsistema che la guida e segue i cambiamenti di direzione che avvengono lungole super�ci di esso. Il più semplice di tutti i sistemi guida è quello formato dadue conduttori piani, paralleli, in�niti, separati da un mezzo dielettrico. Unsistema guida può avere una struttura rettangolare cava, circolare, può essererappresentato da super�ci circolari parallele o da un cono, mentre un'onda puòavere componenti elettriche o magnetiche od entrambe. Inoltre, le super�ci delsistema guida possono essere dei conduttori elettrici ideali oppure disperdereenergia. Da tutti questi elementi dipendono alcune proprietà delle onde, quali:la velocità di propagazione, la lunghezza d'onda direttamente in�uenzata dalledimensioni della guida, la loro e�cienza nel trasportare energia, la capacità dipropagarsi in un sistema piuttosto che in un altro. Un particolare tipo di guided'onda sono le �bre ottiche.


2.4 Struttura ,parametri e propagazione nelle �-

bre ottiche di vetro

Verrà brevemente descritto la struttura di una �bra ottica di vetro nel para-grafo 2.4.1 ; introdotti qualche parametri necessari per descrivere le prestazionidi una �bra ottica (paragrafo 2.4.2) ed in�ne nel paragrafo 2.4.3 , spiegatola propagazione delle onde nei vari tipi di �bre ottiche di vetro che verrannoevidenziate.

2.4.1 Struttura

La �bra ottica è costituita da un sottile �lo di vetro a base di silice, con un nucleodenominato �core� con un diametro che va da 10 a poche decine di μm, ricopertoda un rivestimento concentrico, anch'esso di vetro, trasparente alla luce ed allaradiazione infrarossa, denominato mantello �cladding�, con un diametro di circa125 μm. Il mantello ha un indice di rifrazione n2 di poco inferiore a quello delcore n1 (dal 2 al 9 per mille in meno). Il core e il cladding, a loro volta, sonoricoperti da un rivestimento primario di materiale plastico (guaina �jacket�) perla protezione della �bra dalle abrasioni meccaniche (il suo diametro di 250 μm).

Figura 2.2: Sezione trasversale e indice di rifrazione per �bre step-index egraded-index

2.4.2 Parametri

� Attenuazione (dB/Km): E' il valore della potenza ottica assorbita o di�usadalla �bra; bassi valori di attenuazione permettono, a parità di potenzainiettata e di sensibilità del ricevitore, tratte più lunghe e/o tassi di errorepiù bassi.(approfondimento nel paragrafo 2.5)

� Angolo di accettazione: Si de�nisce dunque angolo di accettazione l'angolomassimo entro cui deve essere immesso il raggio ottico all'interno della


�bra, in modo che sia garantita la propagazione per ri�essioni internesenza rifrazione esterna verso il cladding.

Figura 2.3: Illustrazione dell'angolo di accettazione

doveθè l'angolo di accettazione, n0 l'indice di rifrazione dell'aria, n1quellodel nucleo e n2 quello del mantello.

Quando il raggio incontra la discontinuita nucleo]mantello, viene rifrattonuovamente se lfangolo γ e maggiore di un angolo critico γmax de�nito in basealla legge di Snell:

sin γmax = n2/n1 (2.3)

In tal caso, il raggio viene totalmente ri�esso all'interno del nucleo: questo è ilmeccanismo alla base del con�namento della luce nella �bra ottica. Utilizzandosemplici relazioni dell'ottica geometrica si può cercare il massimo angolo che laluce può formare all'ingresso della �bra per rimanere con�nata all'interno delnucleo:

n0 sin θmax = n1 cos γmax =(n21 − n22

)1/2(2.4)

� Apertura numerica

Indica l'angolo solido entro il quale la �bra può accettare la radiazione incidenteed è uguale al seno dell'angolo di accettazione. I valori di NA (number aperture)delle �bre variano da 0.2 ad 1.


Figura 2.4: Angolo di accettazione

NA = sin θmax =(n21 − n22

)1/2, n0 = 1 (2.5)

NA signi�ca number aperture.

� Larghezza di banda (MHz*km)

Indica la massima frequenza di segnale che può essere immessa dalla �bra.

� Diametro del nucleo (μm)

E' il diametro della zona centrale della �bra dove si propaga il campo elettro-magnetico.

2.4.3 Propagazione nelle �bre di vetro

Vi sono vari tipi di �bre ottiche ma la tendenza è quella di minimizzare il numeroallo scopo di facilitare l'installazione e la manutenzione e di ridurre i costi diproduzione. Esse si possono classi�care in �bre ottiche:

� monomodali;

� multimodali.

Le prime presentano un pro�lo di indice di rifrazione a gradino; Il core presentaun diametro molto piccolo di circa 10 µm e il cladding un diametro di 125 µm.Le �bre monomodali sono ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni perl'elevato tempo di vita (20 anni), minima perdita di potenza ottica, assenzadi dispersione modale poiché la trasmissione è monomodale, �single mode�. Ildiametro del core per ottenere una �bra monomodale vale:

d ' 0.76 · λ

NA, λ = lunghezza d′onda (2.6)

Le �bre multimodali non trovano grande applicazione a causa delle alteperdite di potenza e della dispersione modale. Il diametro del core è di 50


mm e quello del cladding è di 125 mm. Il pro�lo dell'indice di rifrazione puòessere:

� a gradino, �step index�;

� graduale, �graded index�.

Nelle �bre a gradino l'indice di rifrazione è costante in tutto il core e decrescebruscamente nel cladding. In esse si manifesta notevolmente la dispersionemodale per cui non trovano applicazione nelle telecomunicazioni.

Nelle �bre con pro�lo d'indice graduale, l'indice di rifrazione decresce grad-ualmente dal centro del core �no alla regione di separazione tra core e cladding.In queste �bre, i raggi non orizzontali, che si spostano dal centro del core versola sua periferia, incontrano zone ad indice di rifrazione leggermente inferiori esubiscono successive variazioni della direzione tendenti a parallelizzare i raggi.Questi, giunti in prossimità del cladding, vengono ri�essi dando luogo, com-plessivamente, a percorsi elicoidali. Il vantaggio delle �bre a pro�lo d'indicegraduale è dovuto al fatto che i raggi che si avvicinano al cladding attraversanoun mezzo che presenta un indice di rifrazione via-via decrescente e posseggonouna velocità più alta rispetto ai raggi che compiono un percorso più breve come,ad esempio, quelli orizzontali all'asse della �bra. In questo modo tutti i rag-gi dell'impulso di luce giungono quasi contemporaneamente limitando, così, ladispersione modale .

Il numero di modi di propagazione M per una �bra multimodale si puòvalutare con la seguente formula approssimata valida se M >�> 1:

M w1

2·[π · d1 ·NA

λ

]2(2.7)

d1è il diametro del core.Dato che l'indice di rifrazione n1 è maggiore di quello del mantello o cladding

n2, è possibile imporre l'angolo d'incidenza alla super�cie di separazione tra coree cladding in modo che sia maggiore dell'angolo limite. In questo modo il raggiosubisce una ri�essione totale e si propaga nel core per ri�essioni multiple.


Figura 2.5: Propagazione della luce nelle �bre ottiche step - index , graded -index e single-mode

Trascurando le perdite, si può osservare che non vi è dispersione di energiaradiante verso l'esterno, dato che si lavora in assenza di rifrazione; questo implicache la luce viene trasmessa con una ripartizione energetica del �usso luminosoin uscita molto simile a quella del �usso in entrata dalla lampada .

Se l'angolo di incidenza fosse inferiore a quello limite si avrebbe infattirifrazione nel cladding, una parte del fascio luminoso si disperderebbe versol'esterno e solo la restante parte rimanente si propagherebbe nel core ,comeviene illustrato in �gura 2.6. Proprio a causa di questo si lavora a ri�essionetotale.

Figura 2.6: Ri�essione totale interna (a) e rifrazione esterna (b) per due fasciluminosi in una �bra ottica step-index

2.5 Attenuazione e dispersione nelle �bre di vetro

Tratteremo in questo paragrafo di due parametri che limitano le prestazionidelle �bre ottiche nei sistemi di comunicazione. L'attenuazione e la dispersionerispettivamente nei sottoparagra� 2.5.1 e 2.5.2


2.5.1 Attenuazione nelle �bre di vetro

In un sistema di trasmissione a �bre ottiche, vi sono diverse cause che possonoprovocare l'attenuazione del segnale ottico emesso dalla sorgente del trasmetti-tore, �no a quando esso non viene assorbito dal rilevatore in ricezione.

Una prima analisi del problema porta ad individuare le seguenti zone in cuisi può veri�care un'attenuazione:

1. nella �bra;

2. nelle connessioni fra due �bre;

3. nell'accoppiamento fra sorgente e �bra;

4. nell'accoppiamento tra �bra e rilevatore.

1) Attenuazione nella �bra

Le principali cause che provocano attenuazione in una �bra sono: impurezze nelcore (assorbimento); fenomeni di scattering; curvatura della �bra; imperfezionisulla super�cie di separazione core-cladding.

Le impurezze nel core della �bra possono essere costituite da ioni metalliciche assorbono radiazioni, infatti ogni ione presenta un picco di assorbimentointorno ad una certa lunghezza d'onda. I più comuni ioni e le relative lunghezzed'onda sono: Ni++ con λ =690 nm; Mn+++ con λ =550 nm; Cr+++ con λ= 650 nm. Normalmente una �bra ottica con attenuazione di 1 dB/Km deveavere una purezza pari a 2,5 parti su 109 per gli ioni Cu+++, di 1 parte su 109per gli ioni Fe+++ e Cr+++. Un altro ione particolarmente nocivo è l'ossidrileOH che presenta due picchi di assorbimento; uno a 970 nm e l'altro a 750 nm,valori che appartengono alla gamma di trasmissione di molte �bre.

Lo scattering è una dispersione del raggio luminoso dovuta a fenomeni di dif-fusione che nascono a causa di disomogeneità del materiale con cui è realizzato ilcore. Queste disomogeneità possono essere costituite da particelle estranee, dabolle d'aria, da piccoli cristalli (ricordiamo che il vetro non è un cristallo ma unliquido ad altissima viscosità) ecc. Queste disomogeneità possono essere ridottea�nando il processo di produzione. Ne esistono, tuttavia, altre, sulle quali èimpossibile intervenire e che costituiscono un limite insuperabile alla riduzionedell'attenuazione. Queste disomogeneità, che producono il cosiddetto scatteringdi Rayleigh, sono le �uttuazioni locali dell'indice di rifrazione che avvengono sudistanze inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Queste �uttuazioni possonoessere dovute alla variazione della temperatura e a cambiamenti nella compo-sizione del vetro, che, essendo un liquido, tende a modi�care continuamente lasua struttura.


Figura 2.7: Assorbimento e scattering

La curvatura della �bra può essere causa di attenuazione in quanto alcuniraggi che incidono con un angolo di poco inferiore all'angolo di accettazione, pos-sono subire una parziale rifrazione invece della totale ri�essione nelle zone di cur-vatura. Le perdite per curvatura aumentano esponenzialmente col diminuire delraggio di curvatura: anche piccole variazioni della curvatura producono elevatevariazioni dell'attenuazione.

Figura 2.8: Esempi di �gure di curvatura della �bra

Le imperfezioni sulla super�cie di separazione core-cladding sono dovute aerrori durante il processo di fabbricazione e anche alla disomogeneità dei polimeriutilizzati. Le imperfezioni provocano fenomeni di scattering e di rifrazione deiraggi.

Figura 2.9: Imperfezioni sulla super�cie di separazione core-cladding

2) Attenuazione sulle connessioni

L'attenuazione sulle connessioni tra �bre derivano da diversi fattori. L'intercon-nessione tra �bre ottiche è una fase molto importante e particolarmente delicata


Figura 2.10: Attenuazione totale nelle �bre ottiche di vetro

per la realizzazione di un collegamento. Le cause delle perdite sono dovute so-prattutto alle diverse caratteristiche trasmissive delle due �bre ottiche nel puntodi connessione. Possiamo citare:

� la di�erenza fra gli indici di rifrazione;

� la di�erenza tra apertura numerica ;

� la di�erenza tra i diametri del core ;

� le perdite per errori di disassamento o disallineamento assiale;

� le perdite per errori di separazioni o accostamento;

� le perdite di disallineamento angolare.

La di�erenza fra gli indici di rifrazione determina delle perdite, perché il raggioluminoso passando da un mezzo, avente indice di rifrazione n1 ad un mezzoavente indice di rifrazione n2, viene trasmesso soltanto in parte. Può essererisolto utilizzando un opportuno materiale di adattamento o �bre con le stessecaratteristiche

La di�erenza tra apertura numerica determina le perdite quando l'N.A. della�bra avente l'indice di rifrazione n1 (relativa al lato sorgente) è maggiore delN.A. della �bra avente indice di rifrazione n2 (relativa al lato destinazione).

Nella Di�erenza tra i diametri del core si possono distinguere due casi: unoquando l'area della sezione del core della �bra lato sorgente è maggiore di quelladel lato destinazione e l'altro in caso contrario. Nel primo caso l'attenuazione èdata dalla seguente �gura che contiene alcuni casi di accoppiamento con diversidiametri del core.


Figura 2.11: - Di�erenza tra i diametri del core

Le Perdite per errori di disassamento o disallineamento assiale sono dovutealla non perfetta coincidenza degli assi del core o dei cavi ottici delle due �breche si devono connettere.

Le Perdite per errori di separazione o accostamento si hanno nel tentativodi connettere due �bre ottiche e a volte si veri�ca un imperfetto contatto tra diesse. In altre parole le due �bre sono a�acciate, ma non sono a contatto.

Le perdite per errori di disallineamento angolare si veri�cano nel caso in cuigli assi delle due �bre da connettere formano un angolo θ.

Figura 2.12: Illustrazione del disassamento, dell'accostamento e dell'allineamen-to angolare

3) Attenuazione all'ingresso della �bra

Il punto di connessione fra sorgente e �bra è, in genere, una zona con fortiperdite e quindi con elevata attenuazione. Le perdite sono dovute al fatto che lasorgente emette luce in molti direzioni, mentre la radiazione che si propaga nella�bra è solo quella compresa nel cono di accettazione. Le cause di attenuazioneall'ingresso della �bra sono principalmente tre:

� della luce emessa dalla sorgente solo una parte colpisce il core della �bra ;

� dei raggi che incidono sulla sezione del core solo quelli aventi inclinazioneinferiore all'angolo di accettazione vengono trasmessi regolarmente, glialtri si disperdono;


� una parte della luce che colpisce il core viene ri�essa e non entra nella �bra.L'attenuazione di accoppiamento fra sorgente e �bra dipende fortementedal tipo di sorgente utilizzata (LED o laser).

I risultati migliori si ottengono con il laser in quanto la luce emessa è convogli-ata in un cono con angolo quasi nullo. Un'ulteriore causa di attenuazione è lalunghezza d'onda impiegata per la trasmissione. Inizialmente per la trasmis-sione in �bra si usava la luce visibile, anche perché era più semplice lavorarecon raggi visibili piuttosto che con raggi invisibili, ma successivamente, nel ten-tativo continuo della tecnica di migliorare le prestazioni dei sistemi di teleco-municazioni, si e�ettuarono esperimenti con raggi ultravioletti ed infrarossi, e siosservò che l'attenuazione degli infrarossi era minore di quella della luce visibileall'interno delle �bre ottiche. Si passò così all'utilizzo degli infrarossi aumentan-do la lunghezza d'onda della luce usata e riducendo l'attenuazione del segnale,raggiungendo così distanze maggiori.

4) Attenuazione all'uscita della �bra

L'attenuazione sull'accoppiamento tra �bra e rilevatore è, in genere, molto bassain quanto quasi tutta la radiazione che fuoriesce dalla �bre viene catturata dalsensore.

2.5.2 Dispersione nelle �bre di vetro

La dispersione in una �bra consiste nel fatto che l'impulso in ricezione ha unadurata superiore a quella dell'impulso trasmesso. Vi sono due tipi di dispersione:

� la dispersione modale;

� la dispersione cromatica.

a) la dispersione modale

Essa è presente perché la luce, nell'attraversare la �bra ottica, si propaga perri�essioni successive e pertanto dà luogo a vari modi di propagazione all'internodella �bra, ai quali però corrispondono di�erenti lunghezze di tragitti. Prendi-amo tre tipi di dispersione, il primo si propaga lungo l'asse della �bra, il secondoed il terzo si propagano guidati dal core mediante ri�essioni successive. Anal-izzando il percorso dei vari raggi si scopre facilmente che il primo raggio ha ilpercorso più breve mentre gli altri raggi hanno percorsi sempre più lunghi epoiché la velocità è uguale per tutti, essi giungono all'estremità opposta in tem-pi sempre maggiori. Da ciò deriva che la durata dell'impulso luminoso in arrivoè maggiore ed è pari alla durata dell'impulso trasmesso, più il tempo di ritardofra il raggio a percorso minore e quello a percorso più lungo. Quindi un impulsoluminoso, immesso nella �bra, si scompone in vari raggi, ognuno dei quali segueun percorso diverso all'interno della �bra, giungendo a destinazione in tempileggermente diversi, leggermente deformato, a breve distanza, e scomposto invari impulsi più piccoli a grande distanza. La durata dell'impulso in ricezione


è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza della �bra, poiché, con l'au-mentare di essa, aumenta la di�erenza dei percorsi e quindi il tempo di ritardofra il primo raggio e l'ultimo. La presenza di diversi raggi che si muovono nella�bra seguendo percorsi diversi viene denominata comportamento multimodaledella �bra.

Figura 2.13: Propagazione multimodale nelle �bre step-index

facendo riferimento alla Figura 2.14, Il percorso più breve è quello con α =0° ed ha lunghezza uguale alla lunghezza della �bra, L; il percorso più lungo èquello con α = αmax ed ha lunghezza uguale a L/ sin γmax. Prendendo comevelocità di propagazione v = c/n1, si ottiene che il ritardo temporale fra il raggiopiù veloce e quello più lento è pari a:

∆T = Tmax − Tmin (2.8)

∆T =n1c· (L/ sin γmax − L) , sin γmax = n2/n1 (2.9)

∆T = L · n21

c(n2 − n1) , (2.10)

n1 = ncore, n2 = ncladding.

Figura 2.14: Meccanismo alla base della dispersione modale per �bre step-index

Per ottenere forti diminuzioni della dispersione modale si usano: �bre monomodalie �bre a pro�lo d'indice graduale (graded index).

� Dispersione modale con Fibre monomodali

Le �bre monomodali come detto in precedenza sono quelle �bre che hanno undiametro del core piccolo ed una apertura numerica molto piccola (NA = 0,1).


Pertanto esse accettano, per la propagazione, solo il raggio che si propaga lungol'asse. Quindi la propagazione al suo interno avviene in un solo modo e da quila dicitura monomodo. Grazie alla presenza di un solo modo di propagazione,queste �bre sono prive di dispersione modale, per cui la durata dell'impulsoricevuto è quasi uguale alla durata dell'impulso trasmesso. L'unico difetto diquesto tipo di �bre è che avendo una sezione molto minore, si ha il trasporto diuna potenza luminosa altrettanto minore che limita un ulteriore aumento dellaportata. Questo inconveniente ha portato allo sviluppo delle �bre a pro�lo diindice graduale. È importante ricordare che attualmente il 90% (circa) dellaproduzione di �bre ottiche interessa le �bre monomodali, preferite alle altre perle sue ottime prestazioni e per il basso costo di produzione .

Figura 2.15: Dispersione modale nelle �bre monomodali

� Dispersione modale con �bre a pro�lo d'indice graduale

In questo tipo di �bre i diversi raggi che costituiscono i vari modi di propagazionehanno un percorso che, invece di essere a zig-zag come nelle step index, è ap-prossimativamente sinusoidale. Nelle �bre a pro�lo d'indice graduale vi sonotre modi di propagazione: il Low Order Mode Ray, il Middle Order Mode Raye l' High Order Mode Ray. Il Low Order Ray si muove lungo l'asse della �bradove l'indice di rifrazione è massimo e, conseguentemente, la velocità è minima.Questo raggio compie il percorso più corto ma ha la velocità minore; gli altriraggi hanno percorsi più lunghi ma si muovono con velocità maggiori.

Grazie alla graduale variazione dell'indice di rifrazione i percorsi più lunghivengono e�ettuati con velocità più elevate consentendo a tutti i raggi di raggiun-gere il ricevitore quasi contemporaneamente ed ottenendo una forte diminuzionedella dispersione modale.

Figura 2.16: Dispersione modale con �bre a pro�lo d'indice graduale


La dispersione cromatica è costituita da due componenti: la dispersionecromatica del materiale e la dispersione cromatica da guida.

� la dispersione cromatica del materiale

La dispersione cromatica del materiale consiste nella dipendenza della velocitàdi un raggio di lunghezza d'onda λ dalla composizione della �bra. Se si immettenella �bra un impulso di luce bianca, le componenti cromatiche costituenti, per-correndo la �bra con velocità di�erenti, arrivano al ricevitore in tempi di�erentigenerando, così, un impulso di uscita allargato e più basso rispetto a quello dientrata. Nella seguente tabella si mostra il valore dell'indice di rifrazione delvetro in funzione dei diversi colori. Si osserva che il raggio rosso, avendo piùbasso l'indice di rifrazione, è quello che possiede maggior velocità e pertantogiunge prima al ricevitore.

� La dispersione cromatica da guida

La dispersione cromatica da guida è dovuta alle ridotte dimensioni del core checonsente il trasporto di una parte della potenza ottica anche nel cladding. Ladispersione si ha poiché il cladding ha l'indice di rifrazione inferiore a quello delcore. Questa dispersione dipende dal pro�lo di indice della �bra. Le dispersioniprecedentemente descritte determinano una limitazione della banda passantedell'intero collegamento.

Le due componenti di dispersione cromatica variano, al variare della lunghez-za d'onda, però la dispersione da materiale aumenta con l'aumentare dellalunghezza d'onda, mentre la dispersione da guida diminuisce con l'aumentaredella lunghezza d'onda, per cui in parte si compensano. Il problema dellalunghezza d'onda e quindi della dispersione cromatica viene risolto, (sia pureparzialmente) con l'uso del LASER invece che del LED, come generatore lumi-noso, perché il diodo LASER ha uno spettro di frequenze molto più stretto diquello del LED, e determina, quindi, una dispersione cromatica inferiore e diconseguenza comporta una portata della �bra molto maggiore.

Capitolo 3

Fibre ottiche plastiche (POF)

Le �bre ottiche plastiche sono state introdotte come mezzi di trasmissioni otticinegli anni sessanta. Plastic or polymeric optical �bers (POF) hanno strutturaquasi simile a quella delle �bre ottiche di vetro, sono composte dal nucleo (core)e dal mantello (cladding)e sono fabbricati a partire da polimeri organici, peril primo può essere una PMMA oppure una PFBVE (PMMA e PFBVE sonotermini che verranno spiegati in seguito nei paragra� successivi). La guainautilizzata per la sua protezione è più sottile di quella di vetro. Nelle POF laluce si propaga all'interno del nucleo della �bra plastica grazie al mantello, cheagisce come uno specchio, ri�ettendola e guidandola lungo il cammino descrittodalla �bra (vedi �gura 3.1).

Figura 3.1: Struttura di una �bra ottica in plastica

21

CAPITOLO 3. FIBRE OTTICHE PLASTICHE (POF) 22

La �bra plastica funziona sostanzialmente come una comune �bra ottica invetro, pur di�erenziandosi per alcune caratteristiche. In particolare, il diametrodel nucleo della �bra plastica è compreso tra 125 e 1880 μm, quindi moltomaggiore rispetto a quello di una �bra ottica di vetro convenzionale, che haun diametro del nucleo compreso tra 8 e 10 μm, per quanto riguarda le �bremonomodali, ed un diametro di 50 o 62,5 μm se riferito a �bre multimodali. Ilsuo mantello ha un diametro compreso tra 1250 e 2000 μm. Per capire i motividi tale di�erenza, prescindendo per un momento dalle esigenze del processoproduttivo, è necessario tenere presente che un requisito fondamentale della�bra ottica è la �essibilità, per poterne permettere la posa nel terreno e negliedi�ci. Il vetro è un materiale molto fragile ma, allo stesso tempo, rigido, eper poter assicurare la necessaria �essibilità alla �bra il suo diametro non puòsuperare i 125 μm circa. I polimeri, al contrario, sono più �essibili e meno fragilidel vetro ed è quindi possibile realizzare �bre ottiche più grosse e con minoristrati protettivi, senza perdere in �essibilità. L'attenuazione è anche elevata edè di circa 50 a 1000dB/km per una lunghezza d'onda di 0,65 μm.

La �bra plastica è trasparente e conduce a lunghezze d'onda di radiazionediverse da quelle della �bra ottica in vetro, mentre le �bre ottiche in vetrohanno un massimo di trasparenza nella regione vicino all'infrarosso (800-1600nm), le �bre ottiche plastiche hanno un massimo di trasparenza, o detto inaltri termini, un minimo di attenuazione, nella zona corrispondente alla lucevisibile(luce verde e rossa). Nei paragra� successivi faremmo una descrizionepiù dettagliata delle POF.

Un'altra di�erenza sostanziale è che, generalmente, nelle �bre ottiche plas-tiche è più marcata la di�erenza fra gli indici di rifrazione di nucleo e mantello.L'elevata apertura numerica che ne consegue, unita allo spessore, fa delle POFdelle �bre con una semplicità di accoppiamento alla sorgente ottica impensabileper qualunque �bra in vetro, per le quali sono generalmente necessari so�sticatistrumenti per garantire un perfetto allineamento: spesso per la connessione fraPOF e sorgente si utilizzano dei connettori in plastica a basso costo, simili aiconnettori Ethernet.

3.1 Evoluzione operato sulle �bre plastiche

Oggi le �bre plastiche sono fabbricate con materiali plastici come polimeri chegarantiscono una maggiore e�cienza e un'attenuazione ragionevole per trasmis-sioni a breve e media portata; la PMMA e la PFBVE fanno parte di questi.Anche la sua struttura è stata modi�cata per il raggiungimento dello stessoscopo.

3.1.1 POF E Polimetilmetacrilato (PMMA)

Le prime POF fatte col nucleo in PMMA e mantello polimero �uorinato avevanoperdite di circa 500dB/km. Di conseguenza, si è avviato un processo contin-uo di miglioramento delle PMMA e le perdite si sono ridotte dopo pochi anni a


110dB/km nello strato delle lunghezze d'onda visibili e vicino agli infrarossi. An-che se molti progressi sono stati fatti nella fabbricazione delle PMMA, le perditenelle POF sono rimaste negli intervalli di 70dB/km a 100dB/km e 125dB/km a150dB/km per lunghezze d'onda rispettivamente di 0.57 μm e 0.65 μm. Questecaratteristiche conferiscono a questo tipo di �bra una massima distanza di col-legamento limitata a 50 m e in più il suo largo nucleo favorisce una dispersionemodale elevata ,che sfavorisce la trasmissione di più impulsi sulla sua larghezzadi banda. Le dimensioni comuni per questo tipo di �bre sono di 960 μm per ilnucleo e 1000 μm per il mantello,con una larghezza di banda di circa 4 Mhz alkm per 0.65 μm di lunghezza d'onda ed un'attenuazione di 150 dB/km.

3.1.2 GI-POF E Per�uoro-butenylvinylether (PFBVE)

I risultati ottenuti con le POF con nucleo alla PMMA citati sopra sono ancoraben lontani da quelle delle �bre di vetro, soprattutto al livello di attenuazionee di larghezza di banda. Benché le �bre PMMA multimodali a salto d'indicesiano stati commercializzate molti anni fa, con una larghezza di banda di qualchemegahertz, è solo di recente che è stato ottenuto il miglioramento della larghezzadi banda dovuto ad una graduazione dell'indice di rifrazione del nucleo. L'uti-lizzo di �bre PMMA a pro�lo d'indice graduale (GI-PMMA) hanno garantitouna larghezza di banda di circa 0.5Ghz al km per una lunghezza d'onda di 0.65μm. Ciononostante, l'attenuazione è rimasta sempre grande in questa lunghezzad'onda e le restrizioni sono sempre le stesse, in più la celerità della luce non èmassima.

Nel 1996 Y. Koike ed i suoi colleghi della Keio University hanno super-ato i limiti di attenuazione della �bra (GI-PMMA), utilizzando sempre una�bra a pro�lo d'indice graduale però con nucleo fatto di un nuovo materiale,il per�uoro-butenylvinylether (PFBVE).Questa combinazione fatta di PFBVEe della graduazione progressiva dell'indice di rifrazione riduce sostanzialmentel'attenuazione ed è chiamata Graded-index-Per�uorinated optical �ber(GI-POF)oppure CYTOP o Lucina , i suoi nomi commerciali dati dalla società giapponeseAsahi Glass Co., che è stata la prima ha sviluppare queste nuove �bre. Questasocietà ha saputo trarre vantaggio dalla �uorizzazione per ottenere delle �breal mantello in polimero ed al core in polimero per�uorinato, di cui la variazionedell'indice disegna una curva quasi parabolica. La �bra Lucina ha un mantellodi 230 μm di diametro, un nucleo di 120 μm di diametro, una NA compreso tra0.170 e 0.195, un'attenuazione di 20 dB /km ad una lunghezza d'onda di 0.85μm ed un larghezza di banda di 2.5 Ghz su 100 m. Anche se l' Asahi Glass Co.stava già collegando edi�ci in Giappone col suo GI-POF (la �bra Lucina) �ndal 2002, il cavo di �bra non era ancora sul mercato �no a che fu presentatocommercialmente nel 2005 da Chromis Optical Fiberun, una sotto struttura diOFS e dei Laboratori Bell, che ha ottenuto la licenza per la produzione della�bra Lucina. Chromis ha sviluppato il processo di fabbricazione per estrusioneper la versione commerciale della GI-POF, producendo �bre di qualità superioriad un costo più basso rispetto a quelle fabbricate dalla Asahi Glass Co.


Oggi, tutti gli occhi sono puntati sulla Microstructured POF (M POF),unrecente sviluppo in POF simile alle �bre di vetro "Holey or "Bandgap". MPOF fu presentato da Van Eijkelenborg nel 2001. C'è stato da allora un in-teresse considerevole nell'identi�care per quali applicazioni queste �bre hannoun vantaggio competitivo sulle altre tecnologie. Alcune delle caratteristiche chesono state esplorate in questo tipo di �bra sono: l'abilità di adattare il pro�lo diindice rifrangente cambiando la struttura del pipe della guida d'onda; l'abilitàdi essere estremamente birifrangente; e, più recentemente, di guidare la lucein materiale di indice basso nell'intervallo di banda delle guide di fotoni. Lamaggior parte delle attività svolte sulle M POF sino ad ora si sono concentratesu brevi distanze, applicazioni a banda larga, che rappresentano le principaliapplicazioni future del POF. I primi studi sono stati limitati alla misurazionedella larghezza di banda su breve distanze. La larghezza di banda misurata èstata di 6 Ghz oltre 9 metri, corrispondenti a 2,4 Gbps oltre 100 m. Una �braM POF prodotta più recentemente aveva prodotto una perdita di 0,5 dB/mrispetto a una lunghezza d'onda di 0.65 μm.

3.2 Fabbricazione della �bra GI-POF

I processi per la produzione delle �bre ottiche plastiche si sono continuamenteevoluti nel corso degli ultimi anni: sebbene i meccanismi fondamentali sianorimasti invariati, sono state via via apportate numerose migliorie che hannoportato ad un signi�cativo miglioramento delle prestazioni complessive dellePOF. Esistono essenzialmente due sistemi per la produzione di �bre plastiche:direttamente, per estrusione (extruding process), oppure a partire da un cilindroprelavorato (preform drawing process).

� Extruding process

Alla data attuale, gran parte del volume di �bre ottiche plastiche prodotte nelmondo è dato da �bre multi-mode e step-index, le quali possono essere realizzate,economicamente e su vasta scala, con il processo di estrusione diretta a partiredal polimero, del quale esistono due varianti.

Nel processo ad estrusione continua, schematizzato in Figura 3.2, i materialidi partenza (monomero, catalizzatori, controllori di processo) sono introdotti nelreattore, dove avviene la polimerizzazione del monomero ad una temperatura di180°C. Una volta che il composto si è su�cientemente polimerizzato, tipicamentea una quota di 80% polimero e 20% monomero, viene introdotto in un estrusorea vite, dal quale la soluzione viene spinta attraverso un ugello dal quale esce la�bra. Il monomero rimanente evapora nell'estrusore e può essere recuperato edutilizzato nuovamente per il processo di produzione. Successivamente, la �bracosì creata attraversa una seconda camera, nella quale attraverso un altro ugelloviene rivestita dal materiale che formerà il mantello, ottenuto con un processo diestrusione analogo. Un vantaggio di cui gode questo processo è che i materiali dipartenza possono essere continuamente introdotti nei reattori senza interruzioni:questo è il motivo per cui è detto processo ad estrusione continua.


Figura 3.2: Processo di estrusione continua

L'altro processo di estrusione, detto a batch, è in realtà molto simile a quellodi estrusione continua. La di�erenza fondamentale è che nel processo a batchnon vengono introdotti continuamente i materiali di partenza, ma solamente nelvolume necessario a formare una certa quantità di �bra. La ragione di questascelta, che potrebbe sembrare controproducente, è che nel processo a estrusionecontinua il sistema è aperto dal lato dei materiali di partenza, e ciò può facil-mente introdurre impurità che si traducono in maggiori perdite. Al contrario,un sistema chiuso come quello a batch permette un trattamento accurato deimateriali di partenza, che vengono trattati e successivamente sigillati durante ilprocesso di polimerizzazione. Ovviamente, dal momento che un singolo batchnon dura meno di 18 ore, la maggiore accuratezza si paga in termini di minoree�cienza.

� Preform drawing process

Un'altra possibilità per la produzione delle POF è il processo �preform drawing�,che è illustrato in Figura 3.3. Questo processo prevede che venga innanzituttoprodotto un cilindro che possieda già le caratteristiche di indice di rifrazionedesiderate per nucleo e mantello, ma di diametro considerevolmente maggiore.Durante la seconda fase del processo, il cilindro viene �spremuto� �no a raggiun-gere il diametro desiderato per la �bra, mentre il pro�lo dell'indice di rifrazioneviene mantenuto costante, con dimensioni ridotte in maniera proporzionale.


Figura 3.3: Preform drawing

Questo metodo è preferibile per realizzare �bre graded-index poiché le di-mensioni maggiori del cilindro di partenza permettono di realizzare con maggiorprecisione il pro�lo desiderato, che poi sarà scalato alle dimensioni della �bramantenendo le proporzioni iniziali. Questo metodo risulta essere vantaggioso inparticolare nella produzione di �bre single-mode poiché, con lo stesso cilindroiniziale, si riesce a produrre un tratto di �bra tanto maggiore quanto minoreè il suo diametro: per questo motivo, il preform drawing è il metodo principeper la produzione di �bre ottiche convenzionali in vetro (delle quali si possonoprodurre �no a 10 m/s), ma è poco utilizzato per la �bra ottica plastica (dellaquale si riesce a produrre �no a un massimo di 0,5 m/s).

3.3 Caratteristiche delle POF

Le principali caratteristiche delle POF sono senza dubbio l'attenuazione e ladispersione. Per questo gli studieremmo particolarmente nei sotto paragra�successivi. In più faremo un accenno su altri caratteristiche come accoppiamentomodale, conversione modale, resistenza meccanica e resistenza termica.

3.3.1 Attenuazione nelle POF

Come abbiamo spiegato nei paragra� precedenti riguardo a l'attenuazione nelle�bre, gli attributi principali di qualsiasi mezzo di trasmissione sono la lunghezzasu cui si può trasmettere e la velocità su quella lunghezza. Le perdite nelle POFpossono essere causati da fenomeni intrinseci od estrinseci. L'assorbimento daparte del materiale costituente la �bra e la di�usione di Rayleigh sono esempidi attenuazione causati da fenomeni intrinseci, perché dipendono dal materialeutilizzato per la fabbricazione della �bra, e di conseguenza, non possono es-sere eliminati. Ciascuno di questi meccanismi di perdita è una funzione della


lunghezza d'onda. Tutti i meccanismi di perdite che non dipendono dai ma-teriali costituente la �bra, sono dette estrinseci, sono dovuti, per esempio: alprocesso di fabbricazione, alla lavorazione meccanica in fase di installazioni eben altro ancora.

� Attenuazione causati da fenomeni intrinseci

Nel paragrafo 2.5.1 abbiamo ampiamente spiegato la di�usione o scattering diRayleigh, che sono �uttuazioni locali dell'indice di rifrazione che avvengono sudistanze inferiori alla lunghezza d'onda della luce. La di�usione di Rayleigh sipuò quanti�care attraverso un appropriato coe�ciente di assorbimento, αR, cheè inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda elevata alla quarta; quindil'e�etto della di�usione di Rayleigh è più rilevante per lunghezze d'onda brevi.

Certi polimeri sono costituiti da legami molecolari del tipo �C==O, C�H�che sono soggetti a forti vibrazioni, generando cosi attenuazione del materiale.Tenendo presente che le frequenze di risonanza di tali legami sono proporzionalialla massa degli atomi coinvolti, si può ipotizzare un metodo per migliorare leprestazioni delle �bre ottiche plastiche, sostituendo gli atomi di idrogeno conelementi più pesanti. La Lucina con gli atomi di idrogeno del nucleo sostituitida �uorinati risente meno questo e�etto di vibrazione, I legami diventano deltipo sono C � F, C � C e C � O.

� Attenuazione causati da fenomeni estrinseci

Il processo di fabbricazione, come indicato nei paragra� precedenti è meticolosoe potrebbe fare pensare che non ci sono impurità nella �bra ottenuta. In realtànon è cosi, e di conseguenza, le impurità presenti nella �bra sono cause diassorbimento. si tratta in genere di atomi di metalli, assorbiti durante il processodi fabbricazione; ma si può trattare anche di molecole d'acqua, che mostrano unassorbimento per vibrazione molto consistente nella regione infrarossa. le �breLucina, che non assorbono facilmente l'acqua, traggono un ulteriore vantaggioda questa condizione.

La lavorazione meccanica in fase di installazioni sul campo della �bra puòcausare danni oppure una curvatura eccessiva della �bra. Come nel caso delle�bre in vetro, una POF soggetta a una curvatura eccessiva, può subire unaparziale rifrazione delle onde di luce in essa emessa invece della totale ri�essionenelle zone di curvatura. In Figura 3.4 si trova un gra�co che mostra le perditein funzione del raggio di curvatura per una �bra ottica step-index, nel caso diuna curvatura di 180°; si può chiaramente vedere che per raggi di curvaturasuperiori ai 20 mm l'attenuazione si annulla quasi completamente.

Ci sono molti altri meccanismi di perdite di tipo estrinseci, nel caso delle�bre di vetro ne abbiamo elencati parecchi, tale: le attenuazioni alle connessionie le attenuazione all'ingresso ed all'uscita della �bra. Queste attenuazioni sonoanche presenti nelle POF, anche se, per motivo di ampio diametro del nucleo leattenuazioni alle connessioni sono ridotte, facilitando cosi installazione.


Figura 3.4: Perdite in una POF step-index in funzione del raggio di curvatura

La �gura 3.5 mostra una tipica curva di perdita di una �bra PMMA. Perquesto spettro di perdita, le �nestre di trasmissione sono 530, 570 e 650 nm, iltutto nel campo del visibile. Le �bre di plastica più recenti ottenuti da polimeriPFBVE presentano una maggiore trasmissione della luce su una più ampia gam-ma di lunghezze d'onda. La �gura 3.5 mostra uno spettro tipico di perdita diuna �bra GI-POF(PFBVE). Confrontato con lo spettro di attenuazione dellePMMA, le PFBVE hanno due caratteristiche importanti. In primo luogo, l'in-tervallo di spettro utilizzabile va da 650 a 1.300 nm, e, in secondo luogo, l'at-tenuazione è inferiore a 50 dB / km in questa gamma di lunghezze d'onda. Labuona trasparenza della �bra PFBVE nella regione NIR (near-infrared, vicinoall'infrarosso) è dovuta alla mancanza di legami carbonio-idrogeno, e questoelimina il primo fattore di attenuazione osservato nella �bra PMMA. Tuttavia,le �bre PFBVE sono ancora soggette ad una forte attenuazione dovuta allo scat-tering che causa maggior attenuazione rispetto alla �bra di vetro. Gli scatteringdi Rayleigh, sono più presente rispetto al caso della �bra di vetro, per l'ordine diorientamento all'interno della struttura chimica dei polimeri, e questo fenomenova crescendo quanto nella �bra viene drogato il nucleo per ottenere un pro�lo aindice graduale.


Figura 3.5: Attenuazione nelle POF

3.3.2 Dispersione nelle POF

La dispersione modale e la dispersione cromatica nelle POF sono di maggioreinteresse. Questi due fattori sono stati ampiamente studiati precedentementenel caso delle �bre di vetro. Adesso vedremmo in dettaglio come queste vengonomodi�cati on interpretati nelle POF.

La dispersione modale è originata dalle diverse lunghezze dei percorsi che iraggi compiono nell'attraversare la �bra: i tempi diversi con cui arrivano all'us-cita della �bra portano alla dispersione degli impulsi. Se supponiamo che nonvi sia conversione di modi lungo il percorso della �bra (cioè che non vi sianoscambi di energia, lungo il tragitto, fra i diversi modi), è piuttosto semplice dareuna stima della dispersione modale, facendo uso del modello geometrico usatonella �gura 2.14; si ricava l'espressione (2.10).

Per quanto riguarda le �bre step-index, si può dimostrare sperimentalmenteche la loro dispersione modale è, in realtà, signi�cativamente minore di quellacalcolata sopra con l'ipotesi che non vi sia conversione di modi. Questo si spiegapoiché, in realtà, tale ipotesi è poco accurata nel caso delle POF, in cui numeroseirregolarità favoriscono lo scambio di energia fra nodi adiacenti: proprio questiscambi provocano una considerevole redistribuzione dei modi portando, come


conseguenza �nale, a una minore distorsione, per i motivi che saranno illustratinel dettaglio nel paragrafo 3.3.3.

La dispersione cromatica come visto prima è suddiviso in dispersione mate-riale e dispersione di guida d'onda. Lo studio della prima è interessante nellostudio della dispersione nelle POF. Come sappiamo, Ogni sorgente luminosa,infatti, possiede una propria ampiezza spettrale, Δλ>0: si va dagli 1-2 nm deidiodi laser �no ai 25 nm nel caso dei LED. Dal momento che l'indice di rifrazionedi ciascun materiale è dipendente dalla lunghezza d'onda, si avrà che le diversecomponenti dello spettro emesse dalla sorgente viaggeranno a velocità diverse,provocando la dispersione. È da annotare che nelle �bre plastiche le radiazioniguidate hanno il loro spettro nel dominio della luce visibile, perciò, è comodis-simo trasmettere una luce monocromatica in�ne da minimizzare una eventualedispersione.

3.3.3 Accoppiamento modale e conversione modale

Accoppiamento e conversione modale sono due ulteriori meccanismi che portanoalla dispersione e all'attenuazione nelle �bre ottiche plastiche.

� Accoppiamento modale o Le imperfezioni sulla super�cie di separazionecore-cladding

Per accoppiamento modale ci si riferisce al processo tramite il quale l'energiaè trasferita da una direzione di propagazione a diverse altre (scattering), peresempio in corrispondenza di centri di di�razione. sono dovute a errori duranteil processo di fabbricazione e anche alla disomogeneità dei polimeri utilizzati.Nelle POF diversi esperimenti hanno mostrato che l'accoppiamento modale siveri�ca in modo particolare alla discontinuità nucleo-mantello, questo si puòspiegare con il fatto che è impossibile creare un'interfaccia perfettamente liscia,nell'ordine di grandezza dei nanometri, avendo a che fare con lunghe catene dipolimeri.La �gura 2.9 anche in questo caso illustra perfettamente questo e�etto.

L'accoppiamento modale ha un e�etto positivo sulla dispersione nelle �breottiche plastiche e, di conseguenza, aumenta la larghezza di banda. Questoavviene perché la redistribuzione dell'energia fra i diversi modi fa sì che, lungoil tragitto, i raggi che inizialmente erano più �lenti� diventino più �veloci� eviceversa; come conseguenza si ha che il ritardo che porta alla dispersione noncresce più come in (2.10), proporzionalmente alla distanza, ma alla sua radicequadrata.

L'accoppiamento modale si traduce sempre anche in una maggiore attenu-azione, infatti, ogniqualvolta si veri�cano dei cambiamenti nella propagazione,parte della potenza della luce sarà accoppiata in modi non guidati e quindiandrà perduta.

� Conversione modale

Quanto visto �nora sui modi o sulle direzioni di propagazione si applica, inrealtà, solo �nché si ha a che fare con guide d'onda dritte: se sono presenti delle


curvature, la soluzione più brillante è quella di considerare i due tratti primae dopo la curva come una guida dritta, ed e�ettuare un cambio del sistemadi riferimento in corrispondenza della curvatura. Ciò comporta, tuttavia, cheformalmente la direzione di propagazione della luce cambi in corrispondenzadella curvatura, come si può vedere dalla Figura 3.6

Figura 3.6: Conversione modale in corrispondenza di una curvatura

In parole povere, la conversione modale può essere vista come un casoparticolare di accoppiamento modale, nel quale però il numero di modi dipropagazione non aumenta. Nelle POF, generalmente la conversione modalesi ha all'interfaccia nucleo-mantello, in corrispondenza di micro-curvature o di�uttuazioni dell'indice di rifrazione.

3.3.4 Resistenza meccanica delle POF

Le proprietà meccaniche delle POF discendono direttamente dal materiale plas-tico con cui sono realizzate; una prima importante osservazione riguarda il mod-ulo di Young di tali �bre, che è di quasi due ordini di grandezza inferiore rispettoa una �bra in silice: per questa ragione, anche una �bra di diametro di 1mmè su�cientemente �essibile per essere installata senza problemi nella maggiorparte delle con�gurazioni che potrebbero presentarsi. Per lo stesso motivo, ilraggio minimo di curvatura per le POF è signi�cativamente minore di quelloper le �bre convenzionali in vetro.

Le POF mostrano un ottima resistenza meccanica anche sotto altri aspetti;ad esempio, uno studio mostra che un allungamento della �bra plastica �no al10% della sua lunghezza provoca maggiori attenuazioni per meno di 0,1 dB. Al-cune prove preliminari e�ettuate in laboratorio hanno mostrato che per tiraggi�no a circa 65 N(Newton) applicati ad una singola �bra da 1,5 mm, non sipercepiscono degradi prestazionali. Un altro caso che può veri�carsi piuttostofrequentemente in alcuni tipi di installazione è quello di curvature cicliche: èstato mostrato sperimentalmente che una �bra plastica in PMMA mostra un'at-tenuazione aggiuntiva minore di 0,15 dB se viene arrotolata 1000 volte con unraggio di curvatura di 5 cm.


3.3.5 Resistenza termica delle POF

Se da un lato, come abbiamo visto, le �bre ottiche plastiche o�rono numerosivantaggi per quanto riguarda la resistenza meccanica, lo stesso non si può direper la loro resistenza termica. Per le POF a nucleo in PMMA la loro compo-sizione di polimeri, infatti, non consente loro di operare a temperature superi-ori agli 80°-100°C: per valori di temperatura superiori a questi, esse iniziano aperdere rigidità e trasparenza; utilizzando particolari rivestimenti protettivi, èpossibile arrivare al massimo a temperature attorno ai 125°C.

Un fatto importante riguardo la resistenza al calore delle POF a PMMA èche il loro comportamento è fortemente in�uenzato dal grado di umidità del-l'ambiente. Ad esempio, se una �bra plastica è mantenuta ad una temperaturadi 85°C ad un tasso di umidità dell'85% per 1000 ore, l'attenuazione aggiuntivasarà attorno agli 0,02 dB/km; ma se aumentiamo il tasso di umidità �no al 90%,l'attenuazione introdotta aumenta vertiginosamente �no a 0,03 dB/m. Questoè dovuto, al solito, al forte assorbimento delle molecole OH nella fascia del vis-ibile, e segna un altro punto a favore delle �bre plastiche Lucina che, come giàaccennato, non assorbono le molecole d'acqua.

3.3.6 La �bra Lucina

La �bra Lucina è oggi la POF la più utilizzata, perché presenta delle carat-teristiche migliore delle altre �bre plastiche e perciò chiama a maggiore inter-essamento. Come lo sappiamo, Lucina è costituito da un polimero trasparenteper�uorinati amorfa che viene sviluppato, prodotto e commercializzato da AsahiGlass CO. La Lucina ha un grande diametro di nucleo che consente una velocitàdi trasmissione elevata, facilità di movimentazione e di connessione, i costi diinstallazione bassi, e la compatibilità con LD e LED nella regione vicino all'in-frarosso da 650nm a 1300nm. La Lucina viene utilizzata per entrambe le retilocali e reti domestiche.

Le caratteristiche del PFBVE, che è il polimero di base sia per il core che ilmantello della Lucina , sono i seguenti:

� trasparenza per una vasta gamma di lunghezze d'onda da 650nm a 1300nm

� la dispersione del materiale è bassa

� Flessibilità

� lunga durata, Alta resistenza chimica

� non in�ammabilità.

La PFBVE è costituita da legami C � F, C � C e C � O. Poiché l'assorbimentodella luce causata da questi tre tipi di legami atomici appaiono in lunghezzed'onda maggiori (≥ 5.3μm), alla lunghezza d'onda inferiore a 1400 nm l'assor-bimento corrispondente a questi legami è nulla. La PFBVE è trasparente perle lunghezze d'onde convenzionalmente utilizzati nelle comunicazioni a sorgente


di luce (da visibile a 1300 nm) per il trasporto dei dati; perché non ha il legameC � H, che è il principale legame atomico nella plastica ordinaria, come la PM-MA. Pertanto, una �bra plastica con un legame C� H non è funzionale con unasorgente di luce a infrarossi (850 e 1300 nm).

con�gurazione chimica della PFBVELa �gura 3.7 mostra il risultato della risposta impulsiva e della potenza

assorbita ad una frequenza elevata (1,56 GHz) all'uscire di una Lucina lunga224 m. si nota che l'impulso è solo lievemente deformato all'uscire della �bra ead una frequenza di 1.56 GHz si ha una perdita bassa di solo 3dB.

Figura 3.7: Risposta impulsiva

Tutte queste caratteristiche sono molto interessanti, e già a questo punto sipotrebbe pensare che i massimi risultati sono stati ottenuti, ma non è il caso.In marzo 2009 Asahi Glass.Co ha presentato la �Lucina �X� � il suo nuovo bijou,che dimostra avere caratteristiche ancora migliore della vecchia Lucina.

La Lucina�X � ha un doppio mantello, ed è strettamente legato alla guainache la circonda, formando così, un insieme compatto che facilita l'operazione diinstallazione. La �gura 3.8 fa un confronto fra la vecchia e la nuova Lucina.


Figura 3.8: Double Clad Fiber

Il concetto Lucina X è quella di una �bra di alta velocità costituito dapolimero per�uorinati (PF) GI-POF con terminazione facile e resistenza allecurve più stretto ed adatto all'elettronica di consumo, cioè:

� Alta velocità - in grado di erogare 10 Gbps oltre 100 m ( �gura 3.9)

Figura 3.9: High speed capability

� Semplicità - cavi con strutture semplice e connettori con meno componentirispetto alla �bra di vetro(�gura 3.10)


Figura 3.10: Low-cost Termination

� Robustezza - nessuna rottura delle �bre. Stabilità nella comunicazione deidati anche in caso di curvature strette o di nodi (�gura 3.11).

Figura 3.11: Reliability

3.4 Giunzioni e connettori

Poiché le �bre ottiche non sono in�nitamente lunghe, esse devono necessaria-mente essere unite. Inoltre nella pratica, risulta sempre più semplice lavorarecon cavi corti, anziché lunghi. Per questo motivo è fondamentale l'utilizzo digiunzioni e connettori.

3.4.1 Giunzioni nelle �bre ottiche

Le giunzioni per �bre ottiche sono di due tipi; la giunzione permanente, chiamatasplice e la giunzione non permanente, chiamata connessione.


L'unione di due �bre ottiche è un'operazione alquanto delicata poiché nelpunto di giunzione le perdite dovranno essere ridotte al minimo. In particolareè più di�cile e�ettuare una connessione che uno splice; la di�coltà di e�ettuaregiunzioni e connessioni implica costi rilevanti, che sono particolarmente alti perle �bre monomodali di vetro, che richiedono precisioni estremamente elevateper via del loro ridotto diametro. Tuttavia, lo sviluppo recente di macchineautomatiche ha praticamente risolto il problema: sono attualmente realizzabiligiunzioni e connettori che assicurano allineamenti con precisione inferiori al μm,soddisfacendo così le stringenti tolleranze per questo tipo di �bra.

Per meno perdite dovute alle operazioni di giunzione queste condizioni de-vono essere veri�cate :

� Le due �bre devono avere lo stesso diametro;

� Le due �bre devono trovarsi a contatto tra loro;

� Le estremità delle due �bre devono essere lisce;

� Gli assi delle due �bre devono essere allineati.

Per e�ettuare una connessione o uno splice è necessario preparare accuratamentele estremità delle �bre di vetro. Due sono i metodi per far questo:

1) Il metodo �Scribe and break�

I primi centimetri del jacket e del bu�er attorno all'estremità della �bra sonorimossi, dopo di che un taglierino di diamante è usato per segnare il jacket della�bra e una tensione viene applicata ad entrambe le estremità della �bra, chesi rompe in modo pulito. L'estremità della �bra è ora liscia ed ha una �niturasuper�ciale ri�ettente.

2) Il metodo �Lap and polish�

Questa tecnica è utilizzata per preparare un connettore smontabile. Il jacketviene rimosso all'estremità della �bra e la �bra inserita e posizionata accurata-mente in una ferula di supporto; una resina epossidica viene versata dentro laferula, legando la �bra ed il suo jacket assieme alla ferula; la �bra scoperta,sporgendo dalla ferula, è lucidata dapprima con un abrasivo a grana grossa epoi con uno a grana sottile, �no a quando esso non è livellato con l'estremitàdella �bra. L'estremità della �bra è ora liscia e perpendicolare all'asse della�bra.

La tecnica dello �Scribe and break� è rapida ed economica. Essa non èutilizzabile per connettori smontabili. Questa tecnica non può essere utilizzatasu �bre in materiale polimerico, poiché la plastica non si rompe in modo pulito.La tecnica del �Lap and polish� è più precisa ma più lunga. Essa è utilizzabileper connettori smontabili.

Lo Splice E' una giunzione permanente tra due �bre. Gli Splices possonoessere fatti con diverse tecniche:

� per via meccanica


� per fusione

Gli Splices meccanici sono prodotti allineando e congiungendo le �bre con deidispositivi meccanici. Ciò può essere fatto in vari modi che sono il �V Block�,Il �Precision sleeve� e Il �3 Rods�. Ma l'idea di base è la stessa:

1) Allineare precisamente le �bre con dei dispositivi meccanici.

2) Tenere la giunzione assieme a resina epossidica.

Gli Splices per fusione rappresentano un'alternativa agli splices meccanici. Conquesta tecnica le �bre sono saldate assieme. Le due �bre sono allineate precisa-mente e lo splice è creato dalla fusione delle estremità delle due �bre con unarco elettrico.

Per ragione dell'ampio nucleo e delle caratteristiche meccaniche (robustezzae �essibilità) delle POF, le giunzioni permanenti richiedono meno precisionenell'allineamento e meno accuratezza nella lucidatura delle estremità .

3.4.2 Connettori

Tutti i sistemi di trasmissione richiedono connettori per la giunzione tra �-bre e apparecchiature attive nonché per l'accoppiamento �bra a �bra. Laprogettazione dei connettori deve consentire:

� una connessione e disconnessione ripetuta,

� deve avere un'attenuazione bassa,

� e anche proteggere la �bra da eventuali danni.

Per la �bra ottica di vetro, la maggior parte e probabilmente i più sempliciconnettori in �bra ottica sono basati su un ferule, che può anche essere fatto dimetallo, ceramica o plastica. La �bra per essere collegata in modo permanenteè incollata con resina epossidica all'interno del ferule (esempio le �bre di tipoST, SC, FC o LC). In alcuni sistemi l'accoppiamento della �bra viene fatta agiunzione meccanica all'interno del connettore. La �bra di solito deve esserelucidata per dare buone prestazioni rispetto alle perdite per inserzione. A causadelle piccole dimensioni del nucleo della �bra ottica di vetro, la tolleranza sulledimensioni del ferule è fondamentale per un buon valore delle attenuazioni perinserzione.

Figura 3.12: Modelli di connettori


A questo proposito, la POF richiede minor di�coltà nell'allineare la �bra.Questo la rende meno costosa e fa sì che diventi facile e veloce da assemblarecon i connettori. Un certo numero di connettori sono stati sviluppati e nesono in uso diversi. I più popolari sono il FCO5 TOSLINK (simplex) e FOC7(duplex), sviluppato da Toshiba e adottato dalla Japanese Institute of Standards(rispettivamente JIS C55974 e JIS C5970). Hewlett-Packard ha sviluppato unsemplice connettore "snap-on" chiamato Versalink. Connettori SMA sono statiadottati anche per la POF.

Figura 3.13: Connettori SMA e TOSLINK

Tutti questi connettori utilizzano un semplice strumento di taglio (lama dirasoio) o uno strumento a lama piatta e calda per produrre una �nitura dialta qualità. Ci sono stati due recenti sviluppi nel mondo dei connettori POF,che sono il Small Multimedia Interface (SMI), sviluppato da Molex e il " do ityourself " connettore sviluppato per la GIPOF a PFBVE da Nexans.

� SMALL MULTIMEDIA INTERFACE CONNECTOR

Il small multimedia interface connector (SMI) è stato sviluppato speci�camenteper le applicazioni 1394b, ma sta trovando impiego in altre applicazioni. Questosistema di tipo duplex connector può operare oggi a 250 Mb / s �no a 50m enel futuro potrà raggiungere i 500 Mb / s. Questo connettore ha un ingombroridotto di 11 mm di larghezza e 24 mm di altezza che lo rende adatto perl'elettronica di consumo. Come si può notare, è fatta da tre componenti equindi compatibili con la Lucina �X�.

Figura 3.14: Componenti del SMI Connector

� �DO IT YOURSELF� CONNETTORI PER GIPOF

Nexans Cabling Solutions è stata attiva nello sviluppo di cavi e sistemi GIPOFcon licenza della Asahi Glass. Nexans ha sviluppato un nuovo connettore SC,


compatibile con la GIPOF, �ssandosi come obiettivo il basso costo e il tipo diinstallazione "fai da te". Questo sviluppo si basa su un nuovo sistema brevettatoper il �ssaggio della �bra nel connettore e il taglio della �bra senza necessità dilucidatura.

Nel compito di installazione dei connettori, il fattore chiave è il tempo dimontaggio del connettore. Rispetto al costo di un connettore, il costo di in-stallazione è così grande che è essenziale ridurre i tempi di assemblaggio, perquanto possibile. Così uno degli obiettivi di sviluppo era quello di evitare l'usodi un sistema di colla e di utilizzare invece il nuovo sistema brevettato. Il secon-do obiettivo importante dello sviluppo era quello di evitare la necessità di unospeci�co strumento, come uno strumento di aggra�atura.

I nuovi connettori Nexans sono a basso costo, molto facile da montare dachiunque senza una formazione speci�ca, in meno di 2 minuti, non hanno bisognodi speci�ci strumenti o lucidatura, e hanno una attenuazione misurata inferiorea 0,5 dB. Questo nuovo disegno, ora disponibile per SC, è attualmente in fase ditest per tutti i connettori standard, come ST, LC, MTRJ e ben altri tipi ancora.

Figura 3.15: Principali connettori per POF sviluppati da MOLEX

3.4.3 Installazione della POF

In base al particolare ambiente, la posa delle POF potrà avvenire sfruttandola controso�ttatura e le canaline pre-esistenti esterne o interne alla parete. Sifa presente che grazie alle dimensioni ridotte delle �bre e alle ottime carat-teristiche meccaniche, le POF possono essere inserite anche nelle canaline pre-esistenti, tipicamente utilizzate all'interno delle pareti per gli impianti elettrici,non essendoci problemi di interferenza, né di coesistenza di alcun tipo. A livellonormativo, in ambito CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano), grazie anche alcontributo di Telecom Italia, è stata legalizzata proprio l'operazione di impiegodi �bre ottiche in coesistenza con altri mezzi di trasporto (norma CEI 64-8): inquesto modo, le operazioni di cablaggio risultano notevolmente agevolate. Laprocedura di installazione delle POF è estremamente semplice e non richiede lapresenza di tecnici specializzati per le operazioni di connettorizzazione per la ter-minazione delle �bre come progettato dalla NEXANS (connettori �fai da te�).Infatti, le dimensioni generose del nucleo consentono il funzionamento anchein caso di allineamento non perfetto, rendendo quindi le POF a�dabili anchesenza interventi di installazione particolarmente so�sticati. A titolo di esem-


pio, in �gura 3.9 sono riportate in maniera sempli�cata le operazioni necessarieper realizzare l'inserimento delle POF nel connettore OptoLock�. In pratica, laprocedura prevede:

1. tagliare la coppia di POF mediante l'apposito cutter oppure utilizzandoun normale taglierino o delle forbici;

2. separare le 2 POF per pochi cm;

3. estrarre verso l'esterno il �cassettino� del connettore OptoLock�;

4. inserire le 2 POF nel connettore;

5. spingere verso l'interno il �cassettino� del connettore OptoLock�.

Figura 3.16: Operazioni per l'installazione delle POF

L'unica avvertenza è di connettere correttamente la coppia di POF in mo-do tale che, per un collegamento punto-punto, il trasmettitore di un apparatosia collegato al ricevitore dell'altro. Anche questo aspetto non risulta critico,poiché le POF trasportano informazioni mediante luce visibile, che consente diindividuare il trasmettitore in maniera semplice.

Capitolo 4

Diverse applicazioni dellePOF e progetti

I specialisti di mercato hanno proiettato una crescita delle vendite annuale suicomponenti POF di oltre il 15 per cento, a partire dal 2006 �no al 2010. Adi�erenza delle �bre ottiche di vetro, che vengono utilizzate principalmente nelsettore delle telecomunicazioni, le POF hanno applicazioni in molti settori. Ledue principali applicazioni delle POF sono nel controllo industriale (sensori) e nelsettore automotive. La principale ragione dell'utilizzo delle POF nel settore delcontrollo industriale è data dalla necessità di collegamenti di dati che resistonoalle interferenze elettromagnetiche (EMI, electromagnetic interference), causatedall'alta tensione e dai dispositivi ad alta corrente, come saldatrici ad arco, e daapparecchi ad alta tensione, come ad esempio apparecchiature a raggi X. Oggi,il principale interessamento nel settore POF si trova negli usi innovativi dei suoiprodotti da parte delle imprese automobilistiche.

4.1 Applicazioni nell'automobile

Promotori di nuove tecnologie cercano applicazioni innovative che renderebbe illancio del loro prodotto un enorme successo. Con le POF, l'industria automo-bilistica sta sviluppando applicazioni eccezionali. Nel 2000 il produttore tedescodi auto Daimler-Benz ha riconosciuto che l'uso crescente di dispositivi digitalinelle automobili aumenta il peso, la suscettibilità alla EMI, e la complessità deicablaggi. Daimler-Benz ha capito che un modo per ridurre i costi è svilupparee comprare da uno standard comune, e la sua analisi ha indicato che sono lereti ad anello POF a rispondere ai bisogni futuri nel settore dell'automobile. Ilproduttore di automobili ha convinto i sei altri produttori di auto europei, tracui BMW e Volkswagen, ad unirsi per lo sviluppo di uno standard chiamato Me-dia Orientated Systems Transport (MOST) e ad accettare di acquistare secondolo stesso standard. Le sette società hanno anche costituito un'organizzazionechiamata MOST Cooperation per coordinare lo sviluppo e la promozione dello

41

CAPITOLO 4. DIVERSE APPLICAZIONI DELLE POF E PROGETTI 42

standard. La MOST Cooperation è costituita ora da 16 produttori di auto, tracui General Motors, e più di 60 fornitori POF in tutto il mondo. Entro la �nedel 2005, vi erano 40 diverse auto europee, con un bus dati POF composta di25 milioni di nodi ottici. Il sistema più originale è stato progettato per 25 Mb/ s. La prossima generazione dovrà trasmettere a 50 Mb / s, e sempre per lavelocità di dati è previsto un aumento �no a 150 Mb / s. Sebbene in maggiorparte è stato sviluppato per applicazioni non critiche nel settore automobilisticocome: il sistema di posizionamento globale (GPS), il lettore-carica dischi audio(CD) o video (DVD), schermi a cristalli liquidi (LCD o), sistema di navigazioneintegrato, giochi, ecc. BMW ha anche sviluppato una distinta rete a stella POFdi 10 Mb / s chiamato Byte�ight per gli elementi critici, quali i sensori airbag.BMW ha ora 7 milioni di transceiver Byte�ight installati nei suoi veicoli.

Una rete auto di terza generazione è attualmente in esame, chiamato FlexRay,che dovrebbe sostituire il collegamento meccanico tra il pedale del freno ed i frenicon una �bra di plastica. Quando un conducente preme sul pedale del freno, laforza risultante viene convertita in un segnale luminoso e trasmessa a un �at-tuatore�, che converte il segnale e applica il giusto livello di frenata alle ruote.Un ricetrasmettitore per il sistema operativo di 25 Mb / s costa attualmenteai produttori di auto 4,50 dollari, prezzo che dovrebbe scendere a 3,00 dollari,nonostante l'aumento della velocità a 150 Mb / s. Trasmettitori simili per isistemi in �bra ottica di vetro costerebbero 50-100 dollari. Negli Stati Unitie in Giappone, i costruttori di automobili stanno progettando un sistema piùavanzato, che funzionerà a 400 Mb / s utilizzando l'IBD-1394 standard. Questosistema dovrebbe essere compatibile con lo standard MOST.

4.2 Applicazioni nelle telecomunicazioni

Nel campo delle telecomunicazioni, l'interesse dell'impiego di �bre è principal-mente rivolto alle reti a larga banda e all'o�erta di servizi �home-network�,come servizi video di IPTV; dove l'utilizzo delle �bre plastiche (vedi �gura 4.1) riguarda il collegamento tra il modem/router broadband (Access Gateway -AG) connesso ad una delle prese dell'impianto telefonico e il Set Top Box (STB)posizionato vicino alla televisione. Le attuali tecnologie permettono facilmentedi avere un bit rate pari a quello della tecnologia Fast Ethernet (100 Mbit/s).Ad oggi, per garantire la comunicazione bi-direzionale tra AG e STB, necessariaper il servizio IPTV, è necessario utilizzare una coppia di �bre plastiche.

Figura 4.1: Utilizzo delle �bre plastiche in ambito home networking


Figura 4.2: IPTV multi-room

Figura 4.3: Estensione della copertura radio

In futuro, in base alla roadmap presentata da alcune aziende del settore,potrebbe essere su�ciente utilizzare una singola �bra. Il collegamento punto-punto tra AG e STB può essere realizzato mediante due adattatori elettroottici(Ethernet/POF), entrambi alimentati da corrente. Alcuni produttori stannointegrando l'interfaccia per �bra plastica su modem/router e STB, eliminandola necessità degli alimentatori. In merito alle evoluzioni previste per i servizio�erti, è possibile ipotizzare i seguenti scenari:

� IPTV multi-room;

� estensione della copertura radio (Wi-Fi).

Un esempio dell'impiego della POF è quello Presso il reparto di Cardiologiadell'ospedale Sant'Orsola-Malpighi, è stata realizzata un'architettura a stella peril collegamento dei singoli terminali all'unico punto LAN disponibile in reparto.Per ciascuno dei 7 terminali è stato utilizzato un adattatore elettro-ottico (conalimentatore integrato), mentre la connessione tra i singoli adattatori e il puntoLAN ha richiesto l'impiego di 2 switch ottici con 5 interfacce POF ciascuno (an-ch'essi con relativo alimentatore).In altre realtà ospedaliere, si potrà valutare la


possibilità di de�nire architetture diverse da quella a stella, oppure architetture�miste� Ethernet + POF mediante l'impiego di switch Ethernet (oltre a quelliottici).

La posa delle POF è avvenuta prevalentemente sfruttando la controso�t-tatura e le canaline preesistenti esterne alle pareti.

4.3 Applicazioni nei sensori

Il sensore in �bra plastica si può utilizzare per la rilevazione di passaggio. Isensori in �bra plastica non hanno problemi di falsi contatti, costano poco enon si ossidano. Sono inoltre compatti, di facile installazione ed insensibili alleintemperie.

I vantaggi dei sensori ottici in �bra plastica rispetto ai sensori di passaggioin rame e ad infrarossi sono:

� Veri�ca di funzionamento: grazie all'utilizzo di luce visibile, l'allineamentosi fa ad occhio in pochi secondi, non servono tester o altri strumenti: bastacontrollare se la luce "esce" dal cavo,

� Dimensioni ridotte: grazie al suo diametro di 2,2mm e alla sua immunitàEMI, il cavo in �bra plastica passa anche nelle canaline elettriche intasate,riducendo così i costi di installazione,

� Alimentazione remota: l'estremità della �bra plastica è utilizzata cometerminale ottico; il segnale luminoso viene trasportato dalla �bra �no aldispositivo elettrico, che può essere pertanto posizionato �no a 100m dalpunto di rilevazione, vicino al quadro elettrico, eliminando l'alimentazioneremota,

� Elevata precisione: i sensori in �bra plastica sono capaci di rilevare anchepezzi dello spessore di 1mm alla velocità di 4000 passaggi al secondo, peradattarsi a tutte le esigenze,

� Compatibilità elettromagnetica: i sensori in �bra plastica non emettonoradiazioni elettromagnetiche e le apparecchiature vicine, né risentono deidisturbi generati da altre sorgenti,

� Isolamento galvanico: la �bra plastica non conduce corrente e può quindiessere collocata anche in ambienti in cui sono presenti vapori o sostanze in-�ammabili e esplosive, senza bisogno di usare canaline Ex-D o costosissimicavi antide�agranti.

Due esempi di funzionamento di sensori di livello sono descritti nei seguentiparagra�.

1) Sensore di livello/passaggio


Figura 4.4: Illustrazione funzionamento elementare del sensore di livello

Figura 4.5: Illustrazione funzionamento elementare del Sensore doppio perlivello liquido intermedio

Le due Fibre Plastiche sono a�acciate. La prima �bra emette luce, la secondala cattura e la trasporta �no al sensore che la rileva. E' possibile inserire dellemicrolenti davanti alle �bre per estendere la distanza tra le �bra �no ad 1m.E' anche possibile a�ancare le �bre e porre uno specchietto se non è possibilea�acciare le due �bre tra loro.

2) Sensore doppio per livello liquido intermedio

Ognuna delle due �bre, grazie ad uno splitter ottico inserito sul sensore, funzionada rilevatore. E' possibile quindi con l'utilizzo di entrambe le �bre stabilire unlivello minimo ed un livello massimo per il liquido.

4.4 Altre applicazioni

Ci sono molto altri settori che usano le �bre ottiche di plastica in diverseapplicazioni. Le sue caratteristiche lungamente messe in evidenza in questotesto la rendono utile in multipli settori e sono dei catalizzatori di molte inno-vazioni, come nei settori aeronautico, navale, dell'automazione industriale, dellarobotica, delle reti locali, della videosorveglianza e della domotica.


4.5 Progetti

Al livello europeo la �bra plastica suscita già da qualche anni l'interesse di molteaziende e studiosi, e così, è nato il progetto � POF-ALL project�, seguito qualcheanni dopo dal progetto �POF-PLUS project�; tutti due ideati e �nanziati dal-l'unione europea per accompagnare questa dinamica. Nei sottoparagra� 4.5.1 e4.5.2 descriveremmo in modo dettagliato questi progetti.

4.5.1 POF-ALL EU project

Il progetto POF-ALL, aveva come scopo lo sviluppo di una soluzione a bassocosto, basato sulla POF per rendere possibile l'accesso alla fornitura a bandalarga per tutti. Una attenta ottimizzazione delle tecnologie abilitanti (compo-nenti, dispositivi e protocolli) hanno fatto l'oggetto di un test sul campo dellavita reale.

Impatto previsto:

1) L'Europa appro�tterà di una tecnologia a basso costo, ideale per gli operatoridelle telecomunicazioni nella fornitura a banda larga nelle imprese e lefamiglie;

2) L'Europa potrebbe essere indipendente dalle tecnologie extra-UE, nell'imple-mentazione degli accessi alla rete, come lo è oggi con le tecnologie ADSL;

3) Le aziende europee avranno la possibilità di esportare �le savoir-faire� delconsorzio POF-ALL, di promuovere ulteriori investimenti migliorando cosila competitività e la posizione dell'Europa nella sfera delle nuove tecnolo-gie.

Il progetto POF-ALL è iniziato nel gennaio 2006 e si è u�cialmente conclusonel settembre 2008. Ulteriori sviluppi su argomenti analoghi sono oggetto delprogetto POF-PLUS, riguardo EU PQ7 e coordinato dallo stesso team che halavorato su POF-ALL.

4.5.2 POF-PLUS project

Il progetto POF-PLUS si concentra sullo sviluppo di nuovi componenti fotonicie le tecnologie per la trasmissione nei sistemi di �bre ottiche plastiche (POF)a largo nucleo, �nalizzate alla realizzazione della trasmissione senza precedentidi decine Gbps su questo mezzo. I diversi vantaggi della POF con diametri dibase del nucleo nella gamma di 1 millimetro, ci permettono di immaginare unatecnologia estremamente semplice da installare rispetto alla �bra ottica di vetrotradizionale, o anche i cavi in rame standard (UTP, coaxial, ecc). L'estremasemplicità della POF è stata �no ad oggi ombreggiata dalla capacità di trasmis-sione inferiore rispetto a quelle di vetro. Le strategie per superare questa limi-tazione sulla base di futuri trasmettitori e ricevitori è l'obiettivo fondamentaledel POF-PLUS project.


Il progetto cercherà di conseguire i seguenti obiettivi:

� Realizzazione di sistemi ingegneristici lavorando a 1Gbps oltre 50-90 metri;

� prova di dimostrazione del concetto di multi-Gbps su più di 50-60 metri(da 6 a 10 Gbps);

� prova di dimostrazione del concetto di diverse decine di Gbps per decinedi metri utilizzando soluzioni ottiche parallele (multi core e cavi a nastro);

� una trasmissione a�dabile di sistemi radio-over-�bre selezionate (come adesempio il trasporto wireless UWB, Ultra Wide Bandwidth, per segnaliradio).

Il successo del POF-PLUS su �multi-Gbps sulla POF� dovrebbe incidere in modosigni�cativo in due settori di applicazione:

1) Prossima generazione di �home networks�, vale a dire, la rete nell'abitazionedel cliente. Il progetto POF-PLUS permetterà alla rete domestica diuguagliare le prestazioni corrispondente a quella della rete FTTH esternaconsegnata al cliente�door step�.

2) Interconnessioni ottiche per applicazioni di connettività a banda larga subreve distanze, come ad esempio: Storage Area Networks (Fibre Channel);comunicazione aziendale tra i server di grande dimensioni e i computer adalta capacità (Fibre Channel e Gigabit Ethernet); displays per i video noncompresso (ad esempio, HDMI) .

Questa applicazione(multi-Gbps sulla POF) sarà convenzionalmente denomina-ta �Optical interconnect�.

Capitolo 5

Conclusioni

Per migliorare le prestazioni e ridurre i costi di certi prodotti oppure certetecnologie, ricorriamo spesso a dei sostituiti; e qualche volte queste non ci dannoil risultato atteso, però, ci possono aprire la strada ad innovazioni insospettatioppure essere complementare ai prodotti o alle tecnologie già esistenti. Le �breottiche entrano in questo scenario perché pensato come potenziale sostituito aquella di vetro, le sue caratteristiche hanno piuttosto contribuito a svilupparetecnologie non favorevole alla �bra di vetro.

I lavori e�ettuati �no ad oggi per migliorare le caratteristiche delle POF,come per esempio: l'attenuazione decisamente più elevata, la dispersione modalesfavorito dall'ampio diametro del core ed i scattering di Rayleigh e portarli allivello di quelle della �bra di vetro non sono stati concludenti; limitando l'utilizzodelle POF a distanze ridotto,sapendo che la �bra ottica di vetro è apprezzata perle sue qualità di mezzo trasmissivo a lunga portata, è chiaro che le POF non sonodegni sostituiti. Questi svantaggi citati prima, le caratteristiche meccaniche esoprattutto il suo basso costo, hanno favorito il suo impiego in diversi settoriche abbiamo elencato nel paragrafo 4.

Oggi, anche senza saperlo, siamo circondati di �bre ottiche plastiche; nellenostre case come cavi di connessioni per IPTV multi-room od estensione dellacopertura radio (Wi-Fi); nelle nostre macchine per gli elementi critici, quali isensori airbag; ed in altre applicazioni importanti in fase di sviluppo o di test.Possiamo dire delle POF che sono via via elementi importanti nei strumenti cheagevolano le di�coltà che incontriamo nella nostra quotidianità.

L'interesse portato alle POF è recente, e di conseguenza, il lavoro e�ettuatosino ad ora è sicuramente solo l'inizio; il fatto che siano innovatrici in diversisettori inciterà senza dubbio al loro continuo sviluppo. Ed non è da escluderenei anni futuri, il suo miglioramento sino ad superare i limiti posti da qualchesue caratteristiche (attenuazione, resistenza termica, dispersione Rayleigh. . . ),così, il scenario citato prima non sarà più lo stesso e le POF saranno a tutti glie�etti sostituenti della �bra ottica di vetro.

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